荒井 規允 (アライ ノリヨシ)

Arai, Noriyoshi

写真a

所属(所属キャンパス)

理工学部 機械工学科 開放環境科学専攻 (矢上)

職名

教授

メールアドレス

メールアドレス

HP

研究室住所

横浜市港北区日吉3-14-1 35棟107

研究室電話番号

045-566-1846

研究室FAX番号

045-566-1495

外部リンク

その他の所属・職名 【 表示 / 非表示

  • 理化学研究所, 計算宇宙物理研究室, 客員研究員

経歴 【 表示 / 非表示

  • 2009年04月
    -
    2010年03月

    電気通信大学, 電気通信学部 知能機械工学科, 助教

  • 2009年04月
    -
    2019年03月

    慶應義塾大学, 先端科学技術センター, 研究員

  • 2009年04月
    -
    2023年03月

    理化学研究所, 戎崎計算宇宙物理研究室, 客員研究員

  • 2010年04月
    -
    2014年03月

    電気通信大学大学院, 情報理工学研究科 知能機械工学専攻, 助教

  • 2012年04月
    -
    2013年03月

    University of Nebraska-Lincoln, Department of Chemistry, Visiting Assistant Professor

全件表示 >>

学歴 【 表示 / 非表示

  • 2000年04月
    -
    2004年03月

    慶應義塾大学, 理工学部, 機械工学科

    大学, 卒業

  • 2004年04月
    -
    2006年03月

    慶應義塾大学, 開放環境科学専攻, 環境資源エネルギー科学専修

    大学院, 修了, 修士

  • 2006年04月
    -
    2009年03月

    慶應義塾大学, 開放環境科学専攻, 環境資源エネルギー科学専修

学位 【 表示 / 非表示

  • 博士(工学), 慶應義塾大学, 課程, 2009年03月

    散逸粒子動力学法を用いた界面活性剤水溶液の自己組織化の解明および高効率ナノ モーターシステムの設計・開発

免許・資格 【 表示 / 非表示

  • 普通自動車第一種運転免許, 2000年09月

  • 初級システムアドミニストレータ資格, 2000年11月

 

研究分野 【 表示 / 非表示

  • ものづくり技術(機械・電気電子・化学工学) / 熱工学 (マイクロ・ナノ工学)

  • ナノテク・材料 / ナノ材料科学 (ミセル,ベシクル,ラメラ,2分子膜)

  • ナノテク・材料 / ナノマイクロシステム (アクティブマター,分子モーター,ナノポンプ)

  • ナノテク・材料 / 高分子材料 (高分子,界面活性剤,液晶,コロイド,エマルション)

研究キーワード 【 表示 / 非表示

  • ソフトマター

  • ナノ空間

  • 分子シミュレーション

  • 散逸粒子動力学法

  • 機械学習

全件表示 >>

研究テーマ 【 表示 / 非表示

  • 分子シミュレーションと機械学習を組み合わせた材料開発の深化, 

    2017年
    -
    継続中

     研究概要を見る

    様々な高分子材料の振る舞いを分子シミュレーションで再現し,得られた結果と機械学習を組み合わせることで,高効率な材料設計や未踏の物性の実現に挑戦する.

  • 分子シミュレーションによる生体機能の解明とナノマシンの設計, 

    2007年
    -
    継続中

     研究概要を見る

    生体膜や分子モーターなど生体内における機能性を分子シミュレーションで再現し,その本質を抽出することであらたなナノマシンの設計を行う.

  • 分子シミュレーションによる機能性材料のメカニズム発現の解明, 

    2005年
    -
    継続中

     研究概要を見る

    様々な機能性材料(高分子材料,界面活性剤材料,液晶材料など)の振る舞いを分子シミュレーション手法によって再現し,その機能性が発現するメカニズムを解明する.

共同研究希望テーマ 【 表示 / 非表示

  • 機能性材料の設計に関する分子シミュレーションや機械学習

    産学連携、民間を含む他機関等との共同研究等を希望する,  希望形態: 受託研究, 共同研究

     概要を見る

    材料内部を分子シミュレーションで可視化し,物性や機能性に対する分子論的な起源を明らかにすることに挑戦します.場合によっては,得られた結果を機械学習と組み合わせ,材料開発の効率化を検討します.

  • 機能性材料の設計に関する分子シミュレーションや機械学習

    大学等の研究機関との共同研究を希望する,  希望形態: 共同研究

     概要を見る

    実験とシミュレーションが相補的な課題を設定し,ソフトマターの持つ優れた物性や機能性の分子論的な起源を明らかにするとともに,新しい材料の創出を目指します.

 

著書 【 表示 / 非表示

全件表示 >>

論文 【 表示 / 非表示

  • Effect of Propylene-Oxide Segment Length on Cleansing Performance of Detergents With Nonionic Surfactants

    Osato, N; Joko, A; Ikeda, H; Arai, N

    JOURNAL OF SURFACTANTS AND DETERGENTS 2025年07月

    ISSN  1097-3958

     概要を見る

    Understanding the relationship between surfactant molecular structure and cleansing performance is essential for the rational design of high-performance detergents. In this study, we investigate the effect of propylene oxide (PO) chain length on the detergency of nonionic surfactants through a combination of experimental measurements and coarse-grained molecular simulations. Experimentally, detergency tests revealed that increasing the PO content leads to a systematic decrease in cleansing performance. Dissipative particle dynamics simulations were performed to elucidate the molecular basis of this behavior. In bulk aqueous solutions, all surfactants self-assembled into micelles, with longer PO chains resulting in slightly larger and more diffuse micellar structures. At a model dirt surface, surfactants with longer PO chains exhibited stronger adsorption and slower desorption under flow conditions compared to surfactants without PO units. These findings suggest that while PO segments enhance interfacial adsorption, excessive retention at the surface can hinder soil removal, thereby reducing overall detergency. This combined experimental and simulation approach provides molecular-level insights into designing optimized nonionic surfactants for practical cleansing applications.

  • Molecular insights into the motion of oil droplets in aqueous solutions of ester- and amide-containing cationic surfactants

    Ueno K., Ishiwatari Y., Sasaki K., Kojima T., Takai A., Asakura K., Arai N., Banno T.

    Journal of Molecular Liquids 426 2025年05月

    ISSN  01677322

     概要を見る

    The study of self-propelled motion in soft matter systems has garnered significant interest owing to its potential applications in microfluidics, soft robotics, and autonomous system design. Understanding the molecular mechanisms underlying motility is crucial for advancing these applications. This study investigates the self-propelled motion of lauronitrile oil droplets in aqueous surfactant solutions, focusing on the impact of different surfactant molecular structures on droplet dynamics. This study compares surfactants with ester and amide linkages, highlighting their critical role in modulating interfacial tension and driving Marangoni convection, a key factor behind droplet movement. Surfactants with ester linkages exhibit a high affinity for lauronitrile and rapidly adsorb at the oil–water interface, generating strong Marangoni flows and driving fast droplet motion. In contrast, amide-containing surfactants exhibit slower adsorption and weaker interactions with lauronitrile, leading to reduced or absent motion. These findings provide new insights into the molecular mechanisms underlying the self-propelled droplet behavior in non-equilibrium systems and contribute to a deeper understanding of self-organizing phenomena.

  • Investigating the Nanostructure Design Mechanism Behind the Hydrophobicity of the Biomimetic Surface

    Meng, F; Liu, JL; Arai, N

    ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES 17 ( 15 ) 23394 - 23404 2025年04月

    ISSN  1944-8244

     概要を見る

    Wettability, a fundamental physicochemical property of functional materials that depends on their surface structure, has seen recent advances in understanding that have led to the development of superhydrophobic surfaces with applications in self-cleaning materials and antifogging coatings. Given the presence of a free energy barrier between the Cassie and Wenzel states, calculating this barrier provides a valuable means to assess surface hydrophobicity. We hypothesize that surface characteristics affect the free energy barrier between wetting states and that the determination of this barrier can be used to predict the hydrophobicity. Focused on models of a butterfly wing (striped surface) and a mosquito eye (pillared surface), this study employed many-body dissipative particle dynamics (mDPD) simulations to explore the relationship between the free energy barrier and surface roughness (height and spacing). For small-radius droplets, the height of the surface pattern predominantly influences the hydrophobicity. Conversely, for large-radius droplets, the spacing of the surface pattern is the dominant factor. Considering that the contact angle indicates static hydrophobicity, the free energy barrier is the indicator of dynamic hydrophobicity, which shows how well the surface can maintain its hydrophobicity under the impact of a droplet. This study underscores the advantages of the free energy barrier method in understanding dynamic hydrophobicity, which can be applied in evaluating high kinetic energy droplets onto surfaces, for example, automobiles, trains, and aircraft.

  • Synthesis of Amorphous Graphene and Graphene Oxide Analogues

    Sakuma, T; Sato, R; Yamaguchi, A; Imai, H; Arai, N; Oaki, Y

    JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY 147 ( 13 ) 11564 - 11573 2025年04月

    ISSN  0002-7863

     概要を見る

    Graphene and graphene oxide (GO) are promising two-dimensional nanomaterials. An ultimate goal is to achieve large-scale bottom-up syntheses of perfect graphene and GO. However, controlled syntheses of perfect graphitic structures still remain challenges in chemistry and materials science. Moreover, amorphous types have not received much attention. The present work shows syntheses, structures, and applications of amorphous graphene and GO analogues alternative to the ideal ones. The simultaneous multiple reactions of two conjugated monomers provide amorphous conjugated polymer networks containing low-crystalline graphitic domains and their stacking. The stacked amorphous graphene and GO are exfoliated into thin nanosheets including few-layers and monolayers. Moreover, in situ syntheses of the amorphous GO analogues are applied to obtain a reinforced plastic with high mechanical strength. The present work implies that various functional nanocarbons can be designed and synthesized by tailored combinations of conjugated monomers.

  • Effects of grafting architecture of amphiphilic polymer-grafted nanoparticles on stabilization mechanisms of concentrated emulsions

    Suzuki, K; Kobayashi, Y; Yamazaki, T; Tsuji, T; Arai, N

    COLLOID AND INTERFACE SCIENCE COMMUNICATIONS 65 2025年03月

    ISSN  2215-0382

     概要を見る

    This study explores the stabilization mechanisms of concentrated emulsions with tunable morphology using amphiphilic polymer-grafted nanoparticles (PGNPs). We employ coarse-grained molecular simulations to investigate concentrated oil-in-water emulsions stabilized by partially hydrolyzed poly(vinyl alcohol)-grafted poly(methyl methacrylate) (PMMA) particles. Two grafting architectures were examined: hydrophilic-hydrophobic (AB-type) diblock PGNPs and reverse BA-type diblock PGNPs. Our findings reveal that AB-type diblock PGNPs tend to aggregate, leading to droplet-droplet coalescence. In contrast, BA-type diblock PGNPs disperse effectively in the water phase, stabilizing robust emulsion through a space-filling mechanism. The study further demonstrates that the stability and morphology of the emulsions can be tuned by varying the number of PGNPs. Our results suggest that BA-type diblock PGNPs are more effective in stabilizing concentrated emulsions, offering insights for the design of novel emulsifiers in industrial applications.

全件表示 >>

KOARA(リポジトリ)収録論文等 【 表示 / 非表示

総説・解説等 【 表示 / 非表示

  • Wetting hysteresis induces effective unidirectional water transport through a fluctuating nanochannel

    Arai Noriyoshi, Yamamoto Eiji, Koishi Takahiro, Hirano Yoshinori, Yasuoka Kenji, Ebisuzaki Toshikazu

    NANOSCALE HORIZONS (Nanoscale Horizons)  8 ( 5 ) 652 - 661 2022年04月

    ISSN  2055-6756

     概要を見る

    We propose a water pump that actively transports water molecules through nanochannels. Spatially asymmetric noise fluctuations imposed on the channel radius cause unidirectional water flow without osmotic pressure, which can be attributed to hysteresis in the cyclic transition between the wetting/drying states. We show that the water transport depends on fluctuations, such as white, Brownian, and pink noises. Because of the high-frequency components in white noise, fast switching of open and closed states inhibits channel wetting. Conversely, pink and Brownian noises generate high-pass filtered net flow. Brownian fluctuation leads to a faster water transport rate, whereas pink noise has a higher capability to overcome pressure differences in the opposite direction. A trade-off relationship exists between the resonant frequency of the fluctuation and the flow amplification. The proposed pump can be considered as an analogy for the reversed Carnot cycle, which is the upper limit of the energy conversion efficiency.

  • Prediction of transport property via machine learning molecular movements

    Ikki Yasuda, Yusei Kobayashi, Katsuhiro Endo, Yoshihiro Hayakawa, Kazuhiko Fujiwara, Kuniaki Yajima, Noriyoshi Arai, Kenji Yasuoka

     2022年03月

     概要を見る

    Molecular dynamics (MD) simulations are increasingly being combined with
    machine learning (ML) to predict material properties. The molecular
    configurations obtained from MD are represented by multiple features, such as
    thermodynamic properties, and are used as the ML input. However, to accurately
    find the input--output patterns, ML requires a sufficiently sized dataset that
    depends on the complexity of the ML model. Generating such a large dataset from
    MD simulations is not ideal because of their high computation cost. In this
    study, we present a simple supervised ML method to predict the transport
    properties of materials. To simplify the model, an unsupervised ML method
    obtains an efficient representation of molecular movements. This method was
    applied to predict the viscosity of lubricant molecules in confinement with
    shear flow. Furthermore, simplicity facilitates the interpretation of the model
    to understand the molecular mechanics of viscosity. We revealed two types of
    molecular mechanisms that contribute to low viscosity.

  • 分子が関わる伝熱・熱工学 ナノ多孔質体に閉じ込められた物質の固液相転移現象と自己組織化現象

    金子敏宏, 荒井規允, 泰岡顕治

    伝熱 56 ( 236 )  2017年

    ISSN  1344-8692

  • Erratum: Self-assembly of Janus nanoparticles with a hydrophobic hemisphere in nanotubes (Soft Matter (2016) 12 (378-385))

    Kobayashi Y., Arai N.

    Soft Matter (Soft Matter)  12 ( 6 ) 1924 2016年

    ISSN  1744683X

  • C221 散逸粒子動力学シミュレーションによる二成分系液晶の相挙動及び構造の解析(OS-13:分子シミュレーション(2))

    西山 雄一郎, 荒井 規允

    熱工学コンファレンス講演論文集 (一般社団法人日本機械学会)  2015   "C221 - 1"-"C221-2" 2015年10月

     概要を見る

    In this study, we carried out a dissipative particle dynamics simulation about two kind of the length liquid crystal molecules. In this simulation, we observed phases as a volume fraction of liquid crystal molecules as a parameter with temperature change. As a result, we found that a transition temperature from isotropic phase to nematic phase depends on the volume fraction.

全件表示 >>

研究発表 【 表示 / 非表示

  • A Effect of graft design of amphiphilic polymers on the stability of concentrated Pickering emulsions

    Kojiro Suzuki, Yusei Kobayashi, Takashi Yamazaki, Toshikazu Tsuji, Noriyoshi Arai

    38th Conference of the European Colloid & Interface Society (Copenhagen) , 

    2024年09月

    その他

  • Biomimetic surfaces: Assessing free energy barrier using molecular simulation

    Fan Meng, Noriyoshi Arai

    38th Conference of the European Colloid & Interface Society (Copenhagen) , 

    2024年09月

    その他

  • Prediction of self-assembly structures in multicomponent surfactant systems using graph convolution network

    Yuki Ishiwatari, Takahiro Yokoyama, Tomoya Kojima, Taisuke Banno, Noriyoshi Arai

    27th International Congress of Chemical and Process Engineering (Prague) , 

    2024年08月

    その他

  • Quantitative analysis of mesoscale self-assembly structures using machine learning and molecular simulation

    Naoya Osato, Takeo Sudo, Satoki Ishiai, Yuki Ishiwatari, Takahiro Yokoyama, Kenji Yasuoka, Noriyoshi Arai

    27th International Congress of Chemical and Process Engineering (Prague) , 

    2024年08月

    その他

  • Understanding molecular interactions at the adhesion interface between amorphous thermoplastic starch and biodegradable polyesters

    Akihiro Yamaguchi, Noriyoshi Arai

    27th International Congress of Chemical and Process Engineering (Prague) , 

    2024年08月

    その他

全件表示 >>

競争的研究費の研究課題 【 表示 / 非表示

  • 熱伝導メカニズムの分子論的解明および熱伝導スイッチング材料の設計

    2019年11月
    -
    2020年10月

    住友財団, 基礎科学研究助成, 荒井 規允, 研究代表者

  • 界面活性剤分子の自己集合によるトムズ効果メカニズムの分子論的解明

    2017年04月
    -
    2020年03月

    文部科学省・日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 荒井 規允, 若手研究(B), 補助金,  研究代表者

     研究概要を見る

    本年度は昨年度に開発した境界条件に密度勾配を与える方法のプログラムを使用し,実際に円管流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現,解析を行った.トムズ効果に影響を与えるパラメータとして様々なものが知られているが,まずは界面活性剤分子が持つ炭素鎖の長さと,円管壁面の化学的性質の2つに着目して,流れの速度の影響を調べた.
    その結果,比較的炭素鎖の長さが短い場合,流れが遅い場合球状ミセルが形成されるが,流れの速度が増加するにつれて球状ミセル同士が衝突によって長い棒状・紐状のミセルへ成長し,粘度の減少が観察された.一方,炭素鎖が比較的長い場合,速度が遅いときには巨大な球状ミセルが形成され,粘度が流れの速度によらないニュートニアンのような振る舞いを示すが,流れが早くなるにつれて棒状ミセルの出現,さらに棒状ミセルが引き伸ばされることによって,粘度の増加が観察された.
    さらに管内壁面の化学的相互作用を変化させた時,親水的な壁面の場合,界面活性剤の濃度にかかわらず流れの速度が速くなるにつれて粘度の減少が見られたが,疎水的な壁面の場合,濃度が低いときにはニュートン流体のような振る舞い,濃度が高いときには粘度増加が観察された.この原因はミセルの破壊と弾性乱流の発生に伴うものだと示唆された.
    また現実により近く,妥当性のある結果を得るためには巨大な系と長時間のシミュレーションを行い,十分な統計量を得ることが必要である.OpenMPやFDPSを使用した高速化コードの開発は引き続き取り組んでいる.
    当初予定していた研究計画通りに進めることができた.トムズ効果のメカニズムを調べるために,まずは2つのパラメータについて詳細に検討できた.さらに結果は投稿論文で発表することができたため,順調に進展している,とした.
    シミュレーションの高速化に関するプログラムコードの開発,特にFDPSフレームワークの導入は引き続き行う予定である.いくつかのパラメータについて,管内流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現し,粘度挙動を詳細に検討することがが可能となったため,これを踏まえ,抵抗低減に関する検討を行い,トムズ効果発現の分子論的な原因を特定する.そのためには,高レイノルズ数における流れを再現する必要がある.現在,計算の効率化のため円管半径を小さく抑えたため,レイノルズ数が小さくなってしまっている.半径をより大きくした大規模なシミュレーションを行い,抵抗低減率を測定し,それとミセルのサイズや形状,棒状ミセルの配向性や伸び,界面活性剤分子の親水性・円管の半径や化学的な相互作用とどのような関係性が見られるかについて検討することを予定して いる.

  • 散逸粒子動力学シュミュレーションによるJanusナノ粒子の自己集合形態の予測

    2013年04月
    -
    2015年03月

    電気通信大学, 荒井 規允, 若手研究(B), 未設定

     研究概要を見る

    ナノ粒子の自己集合は,我々の身の回りの様々な機能性材料の中で用いられている.つまり,自己集合と機能には強い関わりがあると言える.Janus粒子は,粒子表面に2つ以上の異なる性質を持つ(例えば疎水性と親水性を併せ持つ)特殊な粒子で,近年の合成技術の発達によって作成可能となった.本研究では Janusナノ粒子の自己集合構造や自己集合過程を分子シミュレーションによって調べた.その結果,これまで観察されなかった新しい集合構造や相を発見し,また規則的な相が現れるいくつかの条件を特定することができた.

受賞 【 表示 / 非表示

  • 優秀講演賞

    荒井 規允, 2017年09月, 日本機械学会ソフトマターイノベーション, 散逸粒子動力学法を用いたテレケリックポリマー水溶液のせん断流れ下の振る舞い

  • 国際会議論文発表奨励賞

    荒井 規允, 2006年09月, 慶應義塾大学, Dissipative Particle Dynamics of surfactant threadlike micellar solutions

 

担当授業科目 【 表示 / 非表示

  • 機械工学総合実験

    2025年度

  • 理工学基礎実験

    2025年度

  • 熱力学の基礎

    2025年度

  • 開放環境科学課題研究

    2025年度

  • 開放環境科学特別研究第2

    2025年度

全件表示 >>

担当経験のある授業科目 【 表示 / 非表示

  • 物理学実験

    近畿大学

    2014年04月
    -
    2019年03月

    通年, 学部専門科目, 実習・実験, 専任

  • 応用設計製図

    近畿大学

    2014年04月
    -
    2019年03月

    春学期, 学部専門科目, 演習, 専任

  • 設計製図

    近畿大学

    2014年04月
    -
    2019年03月

    秋学期, 学部専門科目, 演習, 専任

  • 数値計算法

    近畿大学

    2014年04月
    -
    2019年03月

    秋学期, 学部専門科目, 講義, 専任

  • プログラミング実習

    近畿大学

    2014年04月
    -
    2019年03月

    秋学期, 学部専門科目, 実習・実験, 専任

全件表示 >>

 

メディア報道 【 表示 / 非表示

  • 界面活性剤を利用したホコリ除去について

    テレビ東京, ヒャッキン, 2018年05月

所属学協会 【 表示 / 非表示

  • 日本冷凍空調学会, 

    2024年11月
    -
    継続中
  • 日本伝熱学会, 

    2018年04月
    -
    継続中
  • スマートプロセス学会, 

    2016年04月
    -
    2018年03月
  • 日本機械学会, 

    2009年04月
    -
    継続中
  • 分子シミュレーション学会, 

    2007年04月
    -
    継続中

全件表示 >>

委員歴 【 表示 / 非表示

  • 2025年04月
    -
    継続中

    冷媒容器管理システム調査研究プロジェクト委員, 日本冷凍空調学会

  • 2024年12月
    -
    継続中

    編集幹事, 分子シミュレーション学会

  • 2022年04月
    -
    継続中

    関東支部学生会役員, 日本機械学会

  • 2022年04月
    -
    継続中

    共同研究課題審査委員, 学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点

  • 2022年04月
    -
    継続中

    スパコン共同利用課題審査委員, 物性研

全件表示 >>